CN116083901A - 一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及激光熔覆领域，具体公开了一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：S1、选择增强相颗粒和合金粉末作为激光熔覆原料，混合；S2、将混合粉末置于基材上进行激光熔覆，当增强相颗粒密度大于合金粉末密度时，激光熔覆时熔池温度为1600‑1800℃，调整基材外加磁场强度为0‑3000mT；当增强相颗粒密度小于合金粉末密度时，熔池温度为1800‑2000℃，调整基材外加磁场强度为0‑2000mT。本申请还公开了采用上述方法制得的激光熔覆复合层。本申请具有解决对于现有对于合金和增强相结构设计的依赖，提供一种新的增强相在复合熔覆层中分布状态的调控方法的特点。
Description
技术领域
本申请涉及激光熔覆技术领域，更具体地说，它涉及一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层及其制备方法。
背景技术
在金属结构件表面制备一层具有特殊功能熔覆层是常用的表面防护技术之一，目前常用的熔覆层技术有激光熔覆技术、堆焊技术等。激光熔覆技术具有能量集中、效率高、熔覆层与基材呈冶金结合、熔覆层性能优异、工件热输入少、不易变形等优点，引起了研究人员的广泛关注。
颗粒增强复合熔覆层是指将增强相颗粒和合金粉末在预先制成的基体上通过熔覆技术进行制备的复合熔覆层材料。该类材料结合了增强相颗粒的高硬度、耐磨性和合金粉末高韧性、强度的特点，在矿山机械、汽车轮船等领域得到了广泛应用。颗粒增强相的分布状态对熔覆层性能的影响极大。一定区域内增强相分布较少时，会导致该区域硬度和耐磨性能不足，影响工件整体服役寿命；增强相分布过多时，容易产生裂纹等缺陷，严重时甚至使熔覆层失效导致工件报废。但由于熔覆过程时间短、能量高，复合熔覆层的增强相分布状态难以通过常规方法来有效控制。
目前，主要通过优选增强相颗粒的密度与形状实现对颗粒增强复合熔覆层中增强相分布状态的控制。增强相与合金母相密度的差异，一定程度上决定了增强相在熔覆层中的分布状态；相比不规则形状，球形的增强相更易随熔体流动，分布更均匀。但这两种方法都依赖合金以及增强相颗粒本身性能，需要对合金以及增强相进行成分和结构设计，技术成本高。研究一种新的调控方式实现对于复合熔覆层中增强相分布状态的控制对于本领域具有重要的意义。
发明内容
为了解决对于现有对于合金和增强相结构设计的依赖，提供一种新的增强相在复合熔覆层中分布状态的调控方法，本申请提供一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，采用如下的技术方案：
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，包括以下步骤：
S1、选择增强相颗粒和合金粉末作为激光熔覆原料，并将两者混合，得到混合粉末；
S2、将混合粉末置于基材上进行激光熔覆，当增强相颗粒密度大于合金粉末密度时，激光熔覆时熔池温度为1600-1800℃，调整基材外加磁场强度为0-3000mT；当增强相颗粒密度小于合金粉末密度时，激光熔覆时熔池温度为1800-2000℃，调整基材外加磁场强度为0-2000mT。
通过采用上述技术方案，本申请中在工件表面设置外加磁场，根据增强相颗粒和合金粉末密度差异，调节激光熔覆过程中外加磁场的强度和激光熔覆的工艺参数，综合控制金属熔体的洛伦磁力和表面张力梯度，改变熔体流场（Maranggoni流）粘度速率和形态，促进增强相颗粒在合金熔体中定向流动，实现熔覆层中增强相分布形态的控制。
可选的，当增强相颗粒密度大于合金粉末密度时：
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为0mT时，增强相颗粒底部聚集；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为500-1000mT时，增强相颗粒自下而上梯度分布；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为1000-2000mT时，增强相颗粒均匀分布；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为2500-3000mT时，增强相颗粒上部聚集。
可选的，当增强相颗粒密度小于合金粉末密度时：
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为0mT时，增强相颗粒上部聚集；
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为500-1000mT时，增强相颗粒自上而下梯度分布；
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为1000-2000mT时，增强相颗粒均匀分布。
通过采用上述技术方案，根据增强相颗粒密度和合金粉末密度差异，以及根据产品性能要求需要增强相颗粒分布状态，对应性调整磁场强度和熔池温度，从而实现想要的增强相颗粒分布状态。
可选的，基材外加磁场为交变磁场，且交变磁场与工件表面平行，与激光束方向垂直。
可选的，所述增强相颗粒为金属化合物或氧化物或金属氧化物与氧化物的混合物。
可选的，所述合金粉末粒度为15-150 μm，所述增强相颗粒的粒度为15-150 μm。
可选的，所述合金粉末为FeCrNi合金粉末。
第二方面，本申请提供一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层，采用如下的技术方案：
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层，通过上述方法制得。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
本申请中在工件表面设置外加磁场，根据增强相颗粒和合金粉末密度差异，调节激光熔覆过程中外加磁场的强度和激光熔覆的工艺参数，综合控制金属熔体的洛伦磁力和表面张力梯度，改变熔体流场（Maranggoni流）粘度速率和形态，促进增强相颗粒在合金熔体中定向流动，实现熔覆层中增强相分布形态的控制。
附图说明
图1是本申请实施例1中激光熔覆复合层的SEM图；
图2是本申请实施例2中激光熔覆复合层的SEM图；
图3是本申请实施例3中激光熔覆复合层的SEM图；
图4是本申请实施例4中激光熔覆复合层的SEM图；
图5是本申请实施例5中激光熔覆复合层的SEM图；
图6是本申请实施例6中激光熔覆复合层的SEM图；
图7是本申请实施例7中激光熔覆复合层的SEM图；
图8是本申请对比例1中激光熔覆复合层的SEM图；
图9是本申请对比例2中激光熔覆复合层的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
以下实施例中的百分比均为质量百分比。
以下实施例中的基材选用合金粉末为铁基合金粉末，室温下铁基合金粉末密度通常为7.8-8.3g/cm3，而随着温度的提高，Fe基合金熔体的密度逐步降低。以316L为例，为FeCrNi合金粉末，其熔点约1400℃，室温密度为7.89g/cm3，温度达1440℃时，密度降低为7.12g/cm3。以下实施例中合金粉末选用牌号为316L的FeCrNi合金粉末。
实施例1
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，包括以下步骤：
S1、选择45-150 μm的WC增强相颗粒和15-150 μm FeCrNi合金粉末作为激光熔覆原料，通过球磨机混合1h，得到混合粉末，WC增强相颗粒和FeCrNi合金粉末质量比为2:8，FeCrNi合金粉末为牌号为316L的FeCrNi合金粉末；
WC增强相颗粒的密度为15.77g/cm3；
S2、将混合粉末置于基材上进行激光熔覆，在基材周围外加交变磁场，可以由电磁铁提供，且交变磁场与工件表面平行，与激光束方向垂直；并在基材外设置红外测温设备，对熔池温度进行实时监控，调节洪文测温测温设备的测温枪口对准激光光斑中心，调节激光功率为4500w，调节熔覆速率为80mm/s，开始激光熔覆，测量出熔池温度为1739℃，调节磁场强度为1500mT。
激光熔覆完成后进行保温、缓冷处理，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图1所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒分布均匀。
实施例2
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：调节磁场强度为2600mT，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图2所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒分布在上部。
实施例3
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：调节磁场强度为800mT，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图3所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒自下至上梯度增多分布，在磁场和温度的调控作用下，克服增强相的密度重力作用，抑制其在熔池内向下运动。
实施例4
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于：调节磁场强度为0mT，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图4所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒聚集在底部。
实施例5
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于，步骤S1中WC增强相颗粒等量替换为TiC增强相颗粒，TiC增强相颗粒的密度为4.25 g/cm3，小于牌号为316L的FeCrNi合金粉末的密度；
步骤S2中调节激光功率为5500w，调节熔覆速率为80mm/s，开始激光熔覆，测量出熔池温度为1945℃，调节磁场强度为0mT。
得到激光熔覆复合层的SEM照片如图5所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒上部聚集。
实施例6
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于，步骤S2中调节磁场强度为800mT，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图6所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒自上至下梯度增加分布。
实施例7
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于，步骤S2中调节磁场强度为1500mT，得到激光熔覆复合层的SEM照片如图所示，可见，得到的激光熔覆复合层中增强相颗粒均匀分布。
对比例
对比例1
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例1中的方法进行，不同之处在于，步骤S2中熔池温度为2025℃，调节磁场强度为0mT时，由于温度高，熔池流动过于剧烈，热应力增加，导致熔覆层产生裂纹，如图8所示，产品不合格。
对比例2
一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，按照实施例5中的方法进行，不同之处在于，步骤S2中熔池温度为1760℃，如图9所示，熔覆层中增强相颗粒浮于表面，摩擦时容易掉落，产品性能不合格。
结合上述实施例和对比例的SEM图，可知，申请人通过在基材外加磁场，并根据增强相颗粒的密度和合金密度的差异，综合调控熔池温度和磁场强度，控制金属熔体的洛伦磁力和表面张力梯度，改变熔体流场（Maranggoni流）粘度速率和形态，促进增强相颗粒在合金熔体中定向流动，实现熔覆层中增强相分布形态的控制。更具体的说，摸索出当增强相颗粒密度小于合金密度和增强相颗粒密度大于合金密度两种情况下，对于最终产品要求增强相颗粒需要底部聚集、上部聚集、均匀分布还是自下而上梯度分布不同要求下的调控条件。从而相较于当前通过依赖合金和增强相颗粒的本身性能，本申请可以根据增强相性能通过外界条件的改变实现想要的颗粒分布状态。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择增强相颗粒和合金粉末作为激光熔覆原料，并将两者混合，得到混合粉末；
S2、将混合粉末置于基材上进行激光熔覆，当增强相颗粒密度大于合金粉末密度时，激光熔覆时熔池温度为1600-1800℃，调整基材外加磁场强度为0-3000mT；当增强相颗粒密度小于合金粉末密度时，激光熔覆时熔池温度为1800-2000℃，调整基材外加磁场强度为0-2000mT。
2.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：当增强相颗粒密度大于合金粉末密度时：
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为0mT时，增强相颗粒底部聚集；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为500-1000mT时，增强相颗粒自下而上梯度分布；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为1000-2000mT时，增强相颗粒均匀分布；
当熔池温度为1600-1800℃，磁场强度为2500-3000mT时，增强相颗粒上部聚集。
3.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：当增强相颗粒密度小于合金粉末密度时：
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为0mT时，增强相颗粒上部聚集；
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为500-1000mT时，增强相颗粒自上而下梯度分布；
当熔池温度为1800-2000℃，磁场强度为1000-2000mT时，增强相颗粒均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：基材外加磁场为交变磁场，且交变磁场与工件表面平行，与激光束方向垂直。
5.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：所述增强相颗粒为金属化合物或氧化物或金属氧化物与氧化物的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：所述合金粉末粒度为15-150 μm，所述增强相颗粒的粒度为15-150 μm。
7.根据权利要求1所述的一种增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层的制备方法，其特征在于：所述合金粉末为FeCrNi合金粉末。
8.一种通过如权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制得的增强相分布状态可调控的激光熔覆复合层。
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